CC BY
130
УДК 681.586
Н.В. Степанов, канд. техн. наук, (499) 720-85-47, stepanov@olvs. miee. ш (Россия, Москва, МИЭТ)
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ ВТО НА БАЗЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ
Рассмотрен расчет дальности действия линии связи оптико-электронной системы наведения ВТО в зависимости от фона, на который проектируется источник излучения.
Ключевые слова: оптико-электронная система, оптическая линия связи, дальность линии связи, прибор управления, высокоточное оружие.
Системы наведения оружия с использованием оптической линии связи (ОЛС) нашли достаточно широкое распространение в приборах управления ВТО [1]. Главным параметром, определяющим и ограничивающим область применения таких систем, является дальность действия линии связи. Это расстояние определяется энергетическим расчетом оптической системы.
При энергетическом расчете оптико-электронных приборов принято рассматривать следующие случаи [2]:
- источник излучения проектируется на неизлучающем фоне;
- источник излучения проектируется на равномерно излучающем
фоне;
- излучающий фон является неравномерным.
Для наиболее часто применяемых в ОЛС полупроводниковых оптических квантовых генераторов основными характеристиками являются: средняя импульсная мощность лазера ^окг; длительность импульса излучения 1окг; плоский угол расходимости луча вп.
Чувствительность приемника характеризуют монохроматическим пороговым потоком при полосе пропускания А/=1 Гц или средней пороговой импульсной мощностью в полосе пропускания приемника м>п0р. При этом обычно требуется соблюдение следующего неравенства:
Фп >~—р или Фп > тфФпор, (1)
'■окг
где Фп - величина потока, достигающего приемника излучения; Фп0р -средний пороговый поток приемника; тф - требуемое отношение сигнал/шум.
Расчет дальности действия ОЛС при отсутствии излучающего
фона
Если оптический квантовый генератор передатчика излучает поток Ф0кг, целиком попадающий в передающую оптическую систему, то осве-
щенность, создаваемая на входном объективе приемника, может быть определена из выражения [3]:
Еоб = ^П Тс cos Р = 4ФОГТ2П г с cos рр, (2)
L лбц L
где Iп - сила излучения передатчика в пространство; тп - коэффициент пропускания излучения ОКГ оптической системой передатчика; тс - коэффициент пропускания излучения лазера средой; Р - угол между направлением луча и нормалью к облучаемой поверхности; L - дальность от наземного прибора управления до объекта.
Предполагая, что входной объектив на приемнике освещен равномерно, получаем
4 Авхзр
Ф П = ЕобАвх.зрТфТо = ФОКГ О ' 2 Т ПТ сТ фТ о cos Р > (3)
tIOjJ L
где то и Тф - коэффициенты ослабления излучения оптической схемой и
фильтром приемного устройства; Авх.зр - эффективная площадь входного
объектива приемника.
Энергетический поток, создаваемый излучением импульсного лазера, можно вычислить исходя из средней импульсной мощности, являющейся одной из главных характеристик полупроводниковых ОКГ [4]:
wOKr
Ф
ОКГ
tOKr
Тогда, разрешая уравнение (3) относительно дальности, находим
L =
\
4Ф А
4Ф ОКГ Авх .зр п
ТПТсТфТо c0sp =
4w ОКГ Авх. зр г,
m К 2 в ТПТсТфТ о C0sP . (4)
Ф ПШ П1ОКГ
фж Псф0 "К
Проблема потерь энергии из-за разницы полосы пропускания приемного и передающего устройства обычно решается следующим образом [2]. Если ввести к (А/) - коэффициент, учитывающий ухудшение порогового потока при полосе пропускания А/ > 1 Гц, то формулу (1) можно уточнить:
Фп ^ тфФП0р(Л)к(А/), (5)
где X - центральная (заданная) длина волны излучения.
Рассмотрим теперь проблему определения требуемого отношения сигнал/шум для рассматриваемой системы ОЛС без кодирования. При этом будем использовать подход, изложенный в [5]. Естественно определить модель такой цифровой линии связи как систему передачи и приема цифрового сигнала с амплитудно-импульсной модуляцией, представляемого одним импульсом б(1:), который отличен от нуля на заданном интервале времени и равен нулю в остальной области. Пусть энергия импульса (информационного бита) равна Еь, тогда сигнал можно представить как
К*) = ^ (1) и ^ = , (6)
где - нормированная одномерная функция сигнала и /(/) - полосовой сигнал с единичной энергией.
Тогда среднюю вероятность ошибки передачи данного сигнала можно представить следующим образом:
Рь = Ж^/Щ), (7)
где 0(х) - функция, выражающая площадь фигуры функции плотности вероятности Гаусса, определяемой параметром x; N0 - спектральная плотность мощности аддитивного гауссовского шума, имеющего дисперсию ст2 = \/2Щ.
В формуле (7) отношение N0 является отношением сигнал/шум на бит и в данном случае получаем
2/
Рь = ) и £( х) = И^2я\ в4 12сИ. (8)
х
С помощью формул (8) можно по заданной средней вероятности ошибки передачи определить требуемое соотношение сигнал/шум. Далее по формуле (5) можно определить требуемый поток энергии на входе фотоприемника, а из выражения (4) определить дальность работы ОЛС.
Расчет дальности действия ОЛС при наличии излучающего
фона
Расчет дальности действия ОЛС с учетом данного фактора можно выполнить, следуя рекомендациям, изложенным в [2].
Для определения влияния засветки на значение Фп0р(Л) воспользуемся зависимостью порогового потока чувствительности фотоприемника при работе с произвольным излучателем от порогового потока фотоприемника при работе с эталонным (стандартным) излучателем ГЭт :
ф пор (л) = рэт лкэ\я ■, (9)
где кэт - коэффициент использования приемника по эталону; ^эт - коэффициент полезного действия глаза по эталону; £ (Л) - относительная спектральная чувствительность.
При наличии засветки эталонный пороговый поток можно вычислить, добавляя к величине темнового тока ¡т величину тока фоновой засветки ¡ф :
р =45в1А/ = У5в( ¡т + ¡ф )А/
ЭТ ^ с ?
¿ФП ¿ФП
где e - заряд электрона; А/ - полоса частот, воспринимаемая фотодиодом приемника; Бфп - интегральная чувствительность фотодиода приемника.
Ток засветки можно выразить через эталонную чувствительность фотодиода и яркость фона Вф следующим образом:
, А2
1ф = ЯфФф = (Бэт-ФЛэт • 683) X (Вф в А .ттф), (11)
кэт 4
где Бф - интегральная чувствительность при фоновой засветке; Фф - поток фоновой засветки; кф - коэффициент использования приемника по излучению фона.
Таким образом, используя зависимости (9) - (11), пороговую чувствительность фотодиода приемника при наличии фоновой засветки можно представить так:
кэт л/5^
фпор (я)
| | БЭТкф!эт • 683ВфЛвП Аех Зр^Т 0Тф (12) 4кэт1т
*(я)1эт ■683 бфп \ В ряде случаев с целью уменьшения влияния фона в приемном устройстве устанавливается узкополосный интерференционный фильтр, прозрачный к излучению с длиной волны Яокг , с полосой пропускания АЯф, составляющей от 10-4 до 10 -3 мкм. Тогда для расчета величины постоянной фоновой засветки в диапазоне спектра АЯф на длине волны Яокг можно воспользоваться зависимостью, характеризующей долю излучения фона, приходящегося на интервал АЯф: /к = 0,232у (Яокг )ТАЯф -10 , если АЯф выражено в микронах [3]. В последнем равенстве Т - температура среды в Кельвинах, у(х) - приведенное уравнение излучения:
4,965
у = 142,3х"5(е * _ 1)_1, х = 2 х—.
Яф
Используя вместо коэффициента ослабления фильтра функцию и формулу для спектральной чувствительности на длине волны излучения
б (я) = бэт *(я),
кэт
можно вывести окончательное выражение (здесь кф заменен на /^)
бэт л/5^
Ф пор (я) =
2
Б (Я) ВфЛдп Аех .3p.fR (Я)т 0 Тф
1 +---— (13)
41Т
'пор (я) = б (я) бфп ч или, принимая во внимание, что коэффициент перед радикалом представляет собой монохроматическую пороговую чувствительность фотоприемника без засветки, получим
фпор (я) = фПор (я)
Б (Я) ВфЯвП Аех .3p.fR (Я)т0тФ
1 +---— . (14)
41Т
Исходя из выведенной зависимости и условия (5) можно по заданной средней вероятности ошибки передачи определить дальность связи, используя формулу (4).
Расчет дальности ОЛС при неравномерном излучающем фоне
Учет неравномерности излучения фона требует использования метода, предложенного в [2]. Когда фон излучения, действующий на фотоприемник, не является равномерным, то это равносильно воздействию флуктуирующего потока засветки. Этот поток можно представить как сумму двух составляющих:
фф =фф0 +Афф,
где Фф0 - постоянная составляющая, обусловливающая ухудшение чувствительности; А Фф - переменная составляющая.
Составляющая АФ^ непосредственно участвует в образовании сигнала помехи. В этом случае при условии независимости внутренних и внешних помех среднеквадратическое значение сигнала помехи
ь-
иф +АФфО^-^т7эт)2 , (15)
кЭТ
где 2/2 - средний квадрат внутренних шумов приемника с учетом влияния постоянной засветки;
2 кф 2 АФф(Бф—^г/эт) - средний квадрат внешнего шума.
кэт
Используя известное выражение для определения порогового потока [6], получаем
ф пор - тг- ф1пор
Б,
ф
1
■у
АФф кф 2
1 + -Фф(Бф-ф/эт)2 . (16)
2/ф кэт
Если преобладают внешние шумы, т.е. второе слагаемое в выражении (16) значительно больше единицы, то в качестве порогового потока принимают величину математического ожидания флуктуации потока от фона. В этом случае расчет можно провести, используя формулу (11) для тока фоновой засветки и определяя величину флуктуации фона следующим образом:
АФф - тФф,
где т - глубина модуляции потока от фона.
Проведя несложные преобразования, аналогичные преобразованиям при выводе формулы (14), получаем
фпор (л) - фпор (л)
Б (Л) ВфЯвП Ax.3p.fR (Л)т0Тф
1 + m---— . (17)
4^
Используя данную зависимость можно определить дальность действия ОЛС при флуктуации фона засветки. Если флуктуации потока от фо-
на носят низкочастотный характер, то учет влияния фоновой засветки на параметры аппаратуры ведут по максимальному значению попадающего в прибор потока от фона. При наличии высокочастотных флуктуаций потока излучения, обусловленных неоднородностями фона, кроме ухудшения чувствительности приемника необходимо учитывать сигналы помех, вызываемые этими неоднородностями. Если перепады потока излучения от фона вызывают на выходе прибора сигналы, сравнимые с уровнем шумов, то расчет пороговой чувствительности приемника проводят с учетом этой составляющей помех.
Таким образом, чтобы получить ответ об истинной дальности действия прибора, работающего в условиях неравномерного излучающего фона, необходимо либо найти соотношение между эффективными величинами реального порогового потока приемника и приращением потока от фона, т.е. если ДФфkф > ФПОр(À)k(Af), то и расчет надо проводить по формуле
(17), либо необходимо использовать формулу (14) в противоположном случае. На практике часто расчет дальности ведут обоими способами и выбирают наименьшую дальность.
Используя оба описанных выше подхода при необходимости обеспечения максимальной дальности работы, можно вычислить предельно допустимую (минимальную) величину мгновенного поля зрения, т.е. можно уменьшить величину переменной составляющей лучистого потока от фона до такой степени, когда она становится меньше порогового потока прибора.
Список литературы
1. Лихтеров В.М. Высокоточное оружие зарубежных стран. Т. 1. Противотанковые ракетные комплексы. Тула: ГУП «КБП», 2008.
2. Якушенков Ю.Г. Теория и расчёт оптико-электронных приборов: учебник. М.: Логос, 2011.
3. Ландсберг Г.С. Оптика: учебное пособие для вузов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010.
4. Жуков А.Е., Максимов М.В. Современные инжекционные лазеры. СПб: Изд-во политехн. ун-та, 2009.
5. Бондарев В.Н., Василенко В.А., Чернега В.С. Расчет и проектирование технических средств обмена и передачи информации: учебное пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1990.
6. Ахманов С. А. Физическая оптика: учебник. М.: МГУ, 2004.
N.V. Stepanov
ENERGETIC CALCULATION OF THE OPTOELECTRONIC HIGH-PRECISION GUIDANCE SYSTEM WITH THE OPTICAL COMMUNICATION LINK
This paper investigates the optical communication link range calculation of the Optoelectronic High-precision Guidance System with the emission source projection background relation.
Key words: optoelectronic system, optical communication link, communication link range, guidance system, high-precision weapons.
Получено 17.10.12
